5月3日，世界第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)問世，這個(gè)“世界首臺(tái)”是貨真價(jià)實(shí)的“中國造”，屬中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組攻關(guān)突破的成果。

　　那么，量子計(jì)算又是什么？相對(duì)于現(xiàn)在使用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，又有什么優(yōu)勢(shì)呢？本次發(fā)布的量子模擬機(jī)性能究竟怎么樣呢？

　　量子計(jì)算靠的是“疊加”和“糾纏”

　　量子計(jì)算是一種基于量子效應(yīng)的新型計(jì)算方式，它通過大量量子位的受控演化來完成計(jì)算任務(wù)。

　　量子計(jì)算機(jī)原理

　　所謂的量子位是一個(gè)具有兩個(gè)量子態(tài)的物理系統(tǒng)，一般在量子信息學(xué)中，量子是最小的不可分割的能量單位，基本單位就是量子位，或者叫做量子比特。而量子態(tài)呢，就是電子做穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量。

　　量子疊加

　　1個(gè)量子位同時(shí)有0和1兩個(gè)狀態(tài)，相應(yīng)的N個(gè)量子位可同時(shí)存儲(chǔ)2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)。所以，量子計(jì)算機(jī)操作一次的效果就等于同于普通電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行2的N次方次操作的效果，再直白點(diǎn)，就是量子計(jì)算能一次完成2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)的并行處理，這樣計(jì)算速度完全秒殺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

　　量子糾纏

　　還有一個(gè)名詞你要了解——量子糾纏，處于糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子有一個(gè)奇妙特性，一旦對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測量確定了它的狀態(tài)，那么就立即知道另一個(gè)粒子所處的狀態(tài)。即使相距遙遠(yuǎn)距離，一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài)，愛因斯坦把這稱之為“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用”。

　　因此，當(dāng)量子系統(tǒng)的狀態(tài)變化時(shí)，糾纏態(tài)的粒子狀態(tài)都可以發(fā)生變化。量子計(jì)算就是利用了量子疊加和量子糾纏的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了高超的并行計(jì)算能力。

　　超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)

　　高性能計(jì)算領(lǐng)域的“小公舉”

　　舉個(gè)例子，“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)要是求解一個(gè)億億億變量的方程組，要耗上100年。而使用一臺(tái)萬億次的量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0.01秒。

　　如果是求一個(gè)300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前的超算估計(jì)用十幾萬年的時(shí)間來完成，而量子計(jì)算機(jī)原則上可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成。因此，量子計(jì)算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì)，是新概念高性能計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　世界首臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)，到底牛在哪？

　　那么，5月3日在上海亮相的世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)，又牛在哪呢？

　　中科院研制的光量子計(jì)算原型機(jī)結(jié)構(gòu)圖

　　計(jì)算能力超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)

　　想要判斷量子計(jì)算到底牛不牛、牛在哪，學(xué)術(shù)界有三個(gè)達(dá)成共識(shí)的指標(biāo)性節(jié)點(diǎn)：計(jì)算能力超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)是第一步，再是超越商用CPU，最后是超越超級(jí)計(jì)算機(jī)。

　　上述我們提到的這臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)，已經(jīng)比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10倍至100倍。

　　本次發(fā)布會(huì)上公開的兩個(gè)量子計(jì)算原型機(jī)，一種基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，一種基于線性光學(xué)。超導(dǎo)系統(tǒng)那一臺(tái)原型機(jī)是用來做線性方程組求解的，這臺(tái)原型機(jī)實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目——10個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，并在超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法。

　　基于超導(dǎo)量子處理器的線性方程解法演示

　　基于線性光學(xué)的原型機(jī)是用來做“玻色取樣”的。實(shí)驗(yàn)測試表明，該原型機(jī)的取樣速度比國際同行類似的實(shí)驗(yàn)加快了至少24000倍。

　　如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度是自行車，量子計(jì)算機(jī)的速度就好比飛機(jī)。

　　10個(gè)量子比特的糾纏是個(gè)什么概念？

　　兩個(gè)量子計(jì)算原型機(jī)都有10個(gè)量子比特的糾纏，這是一個(gè)什么概念？前面我們提到，量子計(jì)算需要利用大量互相糾纏的量子比特才能實(shí)現(xiàn)。而多粒子糾纏的操縱也一直是量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，一直是國際角逐的焦點(diǎn)。

　　2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。顯然，這個(gè)記錄已經(jīng)被中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次打破。

　　十超導(dǎo)量子比特的糾纏態(tài)

　　這種量子計(jì)算專用機(jī)運(yùn)行一次，就相當(dāng)于做一次超高難度的物理實(shí)驗(yàn)，能夠制造并使用這種量子計(jì)算專用機(jī)需要非常高的操作水平。中國的研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃在2017年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操作。

　　量子計(jì)算機(jī)的“心臟”研制到底有多難？

　　正如在電子計(jì)算機(jī)中CPU扮演了關(guān)鍵的角色，在量子計(jì)算機(jī)研制中，量子芯片同樣是“心臟”，至關(guān)重要。

　　量子計(jì)算機(jī)處理器

　　如果將來的量子計(jì)算機(jī)要超越現(xiàn)有電子計(jì)算水平，需要多于1000個(gè)量子比特構(gòu)成的芯片。但這種規(guī)模的量子比特構(gòu)成的芯片目前的技術(shù)還做不到。

　　而且單純有數(shù)量足夠多的量子比特還是不行的，因?yàn)榱孔颖忍夭⒉环€(wěn)定。量子技術(shù)需要利用量子相干性才可以做計(jì)算，彼此有關(guān)的量子比特串列，會(huì)作為一個(gè)整體動(dòng)作，只要對(duì)一個(gè)量子比特進(jìn)行處理，影響就會(huì)立即傳送到串列中多余的量子比特。但是，每個(gè)量子比特都非常脆弱，很容易被環(huán)境干擾，使量子的相干性喪失，而且干擾的速度隨著體系的擴(kuò)大而呈指數(shù)增加，量子比特越多，干擾的速度也越快。

　　中國科學(xué)院量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室 資料圖

　　這時(shí)候就必須采用糾錯(cuò)碼技術(shù)，鑒定噪聲的可能狀態(tài)，在假定了噪聲特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建糾錯(cuò)碼系統(tǒng)，構(gòu)建糾錯(cuò)容錯(cuò)的理論體系。比如通過糾錯(cuò)碼過程對(duì)數(shù)個(gè)物理比特做冗余，最后生成了一個(gè)邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯(cuò)特性，可以糾正干擾引起的所有錯(cuò)誤。

　　如果能夠達(dá)到容錯(cuò)預(yù)值，在外界噪聲低到一定水平，操作達(dá)到一定精度之時(shí)，就可以滿足容錯(cuò)計(jì)算。那這個(gè)精度要多高呢？以杜江峰院士研究組的研究成功為例，在傳統(tǒng)的糾錯(cuò)碼下量子邏輯門精度達(dá)到了99.99%，其單比特門精度已經(jīng)滿足容錯(cuò)計(jì)算的需求。

　　總而言之，要想研制超越現(xiàn)有電子計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)，首先要有滿足容錯(cuò)計(jì)算的需求的邏輯比特，然后進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)十個(gè)、上百個(gè)邏輯比特，而且都達(dá)到滿足容錯(cuò)計(jì)算的精度，這樣就可以得道性能出色的量子芯片，然后在結(jié)合控制系統(tǒng)、測量裝置等硬件和編程、算法等軟件制造出量子計(jì)算機(jī)。

　　其意義不亞于核武器

　　那么，量子計(jì)算機(jī)主要有哪些應(yīng)用前景，又和我們的生活有什么相關(guān)呢？

　　包括量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的量子技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無與倫比的廣闊前景，量子隱形通信系統(tǒng)將建立在各類作戰(zhàn)指揮控制體系之間和各種偵察預(yù)警系統(tǒng)、主要作戰(zhàn)平臺(tái)以及空間武器系統(tǒng)之中，從而構(gòu)建出量子信息化戰(zhàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未來的信息化戰(zhàn)爭中扮演無可替代的角色。甚至有人認(rèn)為，量子計(jì)算的意義不亞于核武器……

　　在醫(yī)學(xué)檢測、藥物設(shè)計(jì)、基因分析、各種導(dǎo)航等方面它也將起到巨大的作用，會(huì)給我們的生活帶來極大的改變。比如天氣預(yù)測，量子計(jì)算機(jī)可以一次分析所有數(shù)據(jù)，向我們提供更好的模型，精準(zhǔn)地顯示惡劣天氣會(huì)在何時(shí)何地出現(xiàn)，就像這兩天北京的沙塵暴，可以做到提前預(yù)防?！拔覀儸F(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)只能預(yù)報(bào)幾天，因?yàn)槿绻A(yù)報(bào)第六天、第七天，計(jì)算的時(shí)間可能需要100天，而100天后再來預(yù)測第六七天的天氣就沒什么意義了”，潘建偉說。

　　5月4日北京的沙塵天氣

　　結(jié)語

　　“量子計(jì)算機(jī)是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)，一旦成功研發(fā)，就可以破解現(xiàn)在所有的密碼，另外它還可以解決大數(shù)據(jù)等等問題?！?中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦曾說。

　　雖然，目前的技術(shù)成果距離真正建成性能優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)來說依舊有一定難度。但在量子計(jì)算方面，中國的多項(xiàng)成果都已打破世界記錄，我們也期待超過經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)能夠早日問世。